挑战:
为高性能摩托车引擎构造基于FPGA 的全权引擎控制系统
解决方案:
使用National Instruments（美国国家仪器公司，简称NI）的CompactRIO 和LabVIEW 环 境将重点直接放在引擎控制软件和I/O 板卡开发上。
作者:
Carroll G. Dase - Drivven
构造高可靠性、高性能的系统
针对汽车控制和数据采集解决方案的供应商Drivven 需要高可靠性、高性能的硬件为2004 Yamaha YZF-R6摩托车开发引擎控制系统的原型。引擎控制系统要求毫秒级的确定性循环时间，以及微秒级的精确喷油和点火时机。此外，被控对象引擎转速高达每分钟15,500 转。在这个转速下，曲轴每转一圈不到4ms，系统必须在小于1 度的角度内精确控制喷油和点火事件。
我们致力于为基于FPGA开发的传动系控制器提供一条从原型到生产的无缝整合之路，由于其中包括早期的原型开发，其灵活性和计算能力至关重要 。我们庞大的IP 库容纳了一系列核心技术，如从一系列定位传感器跟踪曲轴角坐标的技术；精确角度的喷油及发出精确点火的技术。在这个项目中，出于灵活性、体积小、稳定坚固的形体考虑，我们选择了一款四槽的NI CompactRIO嵌入式系统。一方面可以方便地增加传感器和执行器，并且快速、简单地显示数据。另一方面，也可以把控制器安装在超级运动摩托车极其有限的可用空间内。
整个项目由以下三个主要阶段构成。
阶段一：定制I/O 模块开发
我们开发了三个定制的CompactRIO I/O 模块。第一个模块提供22 个单端12 位模拟输入，2 个可变磁阻（VR）传感器输入以及2 个霍尔效应传感器输入，并实现了低通模拟滤波器和所有输入的过压/ 欠压保护。第二个模块为驱动低阻抗点式喷油嘴提供了四个通道，并为驱动通用螺线管提供了四个低侧感性负载开关。
每个通道可以在几乎没有CPU干预下检测开路、闭路或禁用。第三个模块为点火线圈提供八个低侧感性驱动器。
为使开发面向生产的控制系统原型，我们使用低成本的电路来设计每个模块。因此，开发者可以在原型开发和生产阶段采用同样的电路。
阶段二：标定厂家ECU（电控单元）
我们使用CompactRIO接入关键的摩托车传感器和执行器，并以200 Hz的频率将它们的信号和事件进行记录，包括进气气压和温度、大气气压、冷却水温度、节气门位置、曲轴位置、凸轮轴位置、喷油初始角和脉冲宽度以及点火提前。基于FPGA 的引擎管理VI 用来记录曲轴的位置（分辨率达到0.3 度）以及捕获喷油和点火事件对角度的时机。映射实验在一条交通负荷很少的长直道路上进行，而不需要将引擎从摩托车上拆下安装在测功机上。
为了完全标定厂家ECU的行为，需要在许多不同的节气门位置和引擎转速的组合下（近700 个工作点）驾驶摩托车，同时，ECU数据被记录到多个文件中。跟踪车内的工程师周期地用无线网络将CompactRIO上的数据文件传送至笔记本电脑上，并立即使用LabVIEW程序分析它们对工作点的覆盖情况。应用程序会过滤掉瞬态数据，并将数据快速排列成转速/ 负荷工作点表。对每一个工作点都会计算出平均值和标准差。在2 小时内，这个团队采集到了90% 的摩托车工作点数据，达到完全认识厂家ECU 标定所需的覆盖率。此后，工程师们在实验室中使用LabVIEW再次处理数据，提供三维和二维的可视化显示，并在图像上修改原始数据以填入缺少的工作点。
阶段三：引擎控制
在最后的阶段中，CompactRIO作为一个面向研究的ECU开发原型，提供了进行未来控制算法研究和开发的可能。使用CompactRIO，我们实现了多个引擎管理FPGA核心模块，这些核心模块可以被直接移植到基于FPGA 的成品控制器上。
使用LabVIEW实时模块，我们实现了在高性能赛车应用中常见的转速密度方法和alpha-N 引擎控制组合策略。转速密度引擎控制方法监视进气气压和温度，以计算在每个气缸循环中进入燃烧室空气的理论质量（密度）。但是，由于进气和排气通道的调节效应，引擎的转速会影响实际进入燃烧室的空气质量。用户可以用一个容积效率（Ve）对应引擎转速的一维查询表描述这种行为。然后根据燃料油的化学计量（对汽油而言，约14.7份空气配1 份汽油）计算喷油质量。许多客车引擎控制器使用开环控制的转速密度方法，直至喷油子系统在闭环控制中可直接投入运行。Alpha-N 引擎控制方法比较简单，它根据每一个节气门角度（alpha）和引擎转速（N）工作点查找空气质量的经验值，构成一张包含几百个点的二维查询表。我们采用这两种控制策略的组合方式，在进气气压有最大可变性的低转速、低负荷工作点采用转速密度方法。在其余工作点映射采用alpha-N 方法。
使用CompactRIO 和LabVIEW 节省时间和资金
在过去的项目中，我们至少花了2 年和500,000 美元在定制设计硬件的基础上开发相似的ECU原型系统。在这个项目中，设备成本（包括摩托车和CompactRIO）为15,000 美元。此外， 这个项目中仅用了3 个月就完成了。CompactRIO 和LabVIEW 实时工具提供了所需的可靠性和精确定时的资源，而且系统坚固，能够承受高温和高振动的工作环境。
作者信息:
Carroll G. Dase
Drivven
